Kleine Kannibalen im Kosmos

Ein Außenseiter als Zeuge

Die untersuchten Kugelsternhaufen sind extrem dichte Gebilde aus meist mehreren Hunderttausend Sternen. Typisch ist, dass Galaxien von solchen Haufen umkreist werden. Bei der Milchstraße sind es über 150, für die Große Magellan’sche Wolke wurden rund 60 Exemplare katalogisiert. (Mehr zu den faszinierenden Kugelsternhaufen erfahren Sie ab Seite 50).

Zunächst ermittelte Mucciarellis Team aus den Sternspektren, dass die chemische Zusammensetzung der Kugelsternhaufen der Milchstraße und der Großen Magellan’schen Wolke unterschiedlich ist. Das belegen 13 repräsentativ ausgewählte chemische Elemente, darunter Silizium, Kalzium, Kupfer und Nickel. Der Befund kam nicht überraschend, denn beide Galaxien haben eine unterschiedliche Entwicklung durchlaufen. Doch es gibt einen chemischen Außenseiter: NGC 2005.

Der Kugelsternhaufen umfasst 200.000 bis 300.000 Sonnenmassen und liegt etwa 750 Lichtjahre vom Zentrum der Großen Magellan’schen Wolke entfernt. Seine Sterne zeigen bei allen chemischen Elementen einen deutlich geringeren Gehalt als die anderen Kugelhaufen der Wolke. Diese durchliefen eine ähnliche chemische Entwicklung: Sehr wahrscheinlich stammen sie alle aus der Magellan’schen Zwerggalaxie, vermuten die Astronomen. Die abweichende Zusammensetzung von NGC 2005 legt nahe, dass sich der Kugelsternhaufen in einer völlig anderen Umgebung gebildet hat. Seine geringe Metallizität deutet auf eine viel kleinere Galaxie als Ursprungsort hin, wo die Sternentstehung langsamer ablief als in der Großen Magellan’schen Wolke.

Was passiert mit den Kugelsternhaufen, wenn zwei Galaxien zusammenstoßen? Mucciarelli zufolge können sie wegen ihrer hohen Dichte den Crash und die folgende Verschmelzung jahrmilliardenlang weitgehend intakt überstehen. Sein Team favorisiert folgendes Szenario: Einst wurde NGC 2005 zusammen mit einer kleinen Zwerggalaxie von der Großen Magellan’schen Wolke verschlungen. Doch der kompakte Sternhaufen war quasi unverdaulich: Er ist der einzige überlebende Zeuge dieser Vereinigung. Von der Kleingalaxie selbst gibt es keine Spur mehr, da der Vorgang wohl schon viele Milliarden Jahren zurückliegt.

Die Beobachtungen belegen also, dass unter den galaktischen Zwergen der gleiche Kannibalismus herrscht wie unter den großen Galaxien: Während sie wachsen, fressen die Größeren die Kleinen. So haben es auch Computermodelle zur kosmischen Entwicklung prognostiziert.

Neu in der Nachbarschaft

Die Gefräßigkeit der Milchstraße ist seit Längerem bekannt. Beispielsweise fing sie vor rund fünf Milliarden Jahren die Sagittarius-Zwerggalaxie ein und hat sie seitdem Stück für Stück in ihren eigenen Körper integriert. „Die Milchstraße ist eine große Galaxie, daher sind ihre Gezeitenkräfte gigantisch, und es ist sehr einfach, eine Zwerggalaxie nach vielleicht ein oder zwei Umrundungen zu zerstören“, erläutert François Hammer vom Observatoire de Paris.

Sternenströme um die Milchstraße belegen diesen kosmischen Kannibalismus. Sie werden als Überbleibsel der verschlungenen Zwerggalaxien gedeutet. Gleichwohl wurden rund fünf Dutzend intakte Zwerggalaxien in der Nachbarschaft der Milchstraße aufgespürt. Ende November veröffentlichte der französische Astronom zusammen mit Kollegen im Astrophysical Journal eine Studie, in der die meisten dieser Zwerggalaxien als „Newcomer“ gedeutet werden. Damit bahnt sich eine neue Sicht auf das galaktische Gefolge der Milchstraße an. Lange schien es, als seien die nahen Zwerggalaxien Satelliten der Milchstraße. Sie hätten sich demnach als treue Begleiter auf Umlaufbahnen eingefunden.

Dank neuer Daten des europäischen Astrometriesatelliten Gaia konnte Hammers Team nun die Dynamik dieser Zwerggalaxien mit bisher unerreichter Präzision berechnen. Im Detail ging es um die Bewegungen von 40 solcher Zwerge – das ist die Mehrheit der bekannten nahen Exemplare. Für jeden von ihnen ermittelten die Forscher alle drei Komponenten der Geschwindigkeit und berechneten daraus die Energie auf den Umlaufbahnen und die zugehörigen Drehimpulse.

Die Resultate überraschen: Die Galaxien bewegen sich deutlich schneller als beispielsweise bestimmte Riesensterne oder auch Kugelsternhaufen, bei denen die Astronomen davon überzeugt sind, dass sie die Milchstraße umrunden. Der Tempomessung zufolge sind die kleinen Galaxien aber so schnell, dass sie sich gar nicht im Orbit um die Milchstraße befinden können, denn sie überschreiten deren Fluchtgeschwindigkeit.

Ein ähnliches Urteil hatten manche Wissenschaftler bereits vor Jahren über die Große Magellan’sche Wolke gesprochen. Auch sie galt zu Beginn des Jahrhunderts noch als Satellit unserer Galaxis. Als jedoch im Jahr 2007 US-amerikanische Astronomen ihre Geschwindigkeit ermittelten, zeigte sich, dass sie zu schnell ist, um durch die Schwerkraft an die Milchstraße gefesselt zu sein. Wie die meisten Zwerggalaxien stattet sie offenbar ihre erste Visite bei der Milchstraße ab.

Todesurteil für Begleiter

Wird die Große Magellan’sche Wolke an der Milchstraße vorüberziehen? Der Coautor der Studie, Marcel Pawlowski vom Potsdamer Astrophysikalischen Institut (AIP), meint: „Wahrscheinlicher ist, dass sie durch die Interaktion mit der Milchstraße und deren Dunkler Materie genug Energie verlieren wird, um sich nach und nach der Milchstraße zu nähern und irgendwann mit ihr zu verschmelzen.“

Eine Kollision der beiden Welteninseln steht in 2,4 Milliarden Jahren an. So hatte es bereits 2019 ein anderes Forscherteam um Marius Cautum, der damals an der britischen University of Durham arbeitete, nach Computersimulationen prognostiziert.

Doch wichtige Basisgrößen für solche Rechnungen sind nur ungenau bekannt – besonders die beteiligten Massen. Für die Große Magellan’sche Wolke gibt eine Arbeit aus dem vergangenen Sommer 188 plus/minus 40 Milliarden Sonnenmassen an. Auch bei der Milchstraße sind die Forscher unsicher: Könnte man sie auf die Waage legen, würde man etwa 1500 Milliarden Sonnenmassen messen. Das umfasst Sterne, Planeten und Gaswolken sowie das vier Millionen Sonnenmassen schwere Schwarze Loch im Zentrum der Spirale. Der Löwenanteil der Masse entfällt allerdings auf die unsichtbare Dunkle Materie. Ihre Menge ist unsicher – von ihrer physikalischen Natur ganz zu schweigen. „Die Schätzungen schwanken um den Faktor Zwei“, sagt François Hammer. Andere Forscher gehen von noch größeren Unsicherheiten aus.

Auch das Schicksal der anderen zugereisten Zwerggalaxien ist Hammer zufolge unklar: Einige von ihnen werden wohl von der Milchstraße eingefangen. Einmal als Satelliten in die Gefolgschaft gezwungen, droht den Zwergen alsbald der Tod. Sie werden verschlungen.

Nur ein beträchtlicher Gehalt an Dunkler Materie könnte die zerstörerische Wirkung der Milchstraße verhindern. Diese hypothetische Substanz müsste dann so viel innere Schwerkraft beisteuern, dass die Zwerggalaxien trotzdem zusammenhalten. Laut der Lehrmeinung, der zufolge die Zwerge Satelliten der Milchstraße sind, wurde deshalb angenommen, dass sie von Dunkler Materie dominiert werden, weil sie sonst nicht lang genug intakt geblieben wären.

Mittlerweile sind jedoch Galaxien bekannt, die anscheinend keine Dunkle Materie enthalten. Als nun enttarnte Newcomer brauchen auch die Zwerggalaxien die Dunkle Materie nicht notwendigerweise – sie sind ja noch nicht lange dem fatalen Griff der Milchstraße ausgesetzt. Ob sie ebenfalls völlig frei davon sind, ist laut Pawlowski allerdings fraglich. Bestimmte überraschende Aspekte ihrer Bewegung und Anordnung wertet er zwar als Indiz, „aber nicht als definitiven Beweis“.

Die Fachdebatte um die unklare Natur der Dunklen Materie wird die Astrophysiker noch lange beschäftigen. Pawlowski und andere Forscher argwöhnen sogar, dass sie eine Illusion ist – vorgegaukelt durch Abweichungen der Schwerkraft oder Beschleunigung über große Distanzen (bild der wissenschaft 11/2014, „Relativitätstheorie unter Beschuss.“). Das allerdings würde der Allgemeinen Relativitätstheorie widersprechen.

Wenn Ozeane überkochen

Kleine eisbedeckte Monde umkreisen dutzendfach die äußeren Planeten. Im Untergrund dieser Trabanten kann das Eis schmelzen, sodass sich globale Meere bilden.…